高压变频器的通风与散热设计

费香邦 苏柏豪

摘要：在石油、化工、电力、煤矿等工业生产领域对变频器的可靠性要求极高。影响变频器可靠性的因素很多，通风散热是重要因素之一。因此，解决好变频器设计过程中的散热与通风是一个至关重要的环节。散热能力决定变频器的输出电流能力，从而影响输出转距能力，为此就要优化散热与通风方案，进行合理设计，实现设备的高效散热，这对提高设备的可靠性是很重要的。高压变频器工作时的热量主要来源于隔离变压器、电抗器、功率单元和控制系统等，其中功率器件、功率单元及功率柜的散热与通风设计最为重要。

关键词：高压变频器；散热与通风；设计

一、功率单元散热

功率单元中的元器件主要包括整流二极管、IBGT模块、电容、快速熔断器、母线开关器件驱动电路以及其它一些保护电路等。除二极管整流模块与IGBT模块外，其余元器件由于在功率单元中通过支架等方式安装，在保证足够的空间距离与必要轻微空气的对流的条件下，已能满足其散热要求。因此功率单元的散热设计主要考虑二极管整流模块与IGBT模块的散热要求即可。

功率器件的损耗功率所产生的温升需由散热器来降低，通过散热器增加功率器件的导热和辐射面积、扩张热流以及缓冲导热过渡过程，直接传导或借助于导热介质将热量传递到冷却介质中，如空气、水或水的混合液等。目前在高压变频器中主要用到的冷却方式为强制空气冷却、循环水冷却和热管散热器冷却。

由于空气冷却比较简单，不存在热管散热的复杂性及水冷的凝露问题，所以在通常情况下大多都会首先选择空气冷却。空气冷却用的散热器通常是一块带有很多叶片的良导热体,散热器热阻估算公式如下：

式中：k为散热器热导率；d和A分别为散热器的厚度和面积，分别以cm和cm2表示;C为一个与散热器表面和安装角度有关的修正因子。

此式在空气温度不超过45℃时成立，通常利用式（1）估算散热器的散热能力。

二、散热器的选择及注意事项

功率器件是大多数电子设备中的关键器件，其工作状态直接影响到整机的可靠性及稳定性。大功率器件的发热量大，仅靠封装外壳的散热是无法满足散热要求的，需要配置合理的散热器增强散热效果，因此，分析影响散热器散热效果的一些因素，将有利于合理选择散热器，提高散热效果。

2.1散热器的选择

以铝型材散热器为例分析影响散热效果的一些因素：

（1）肋片长度适当增加能减小器件结温，但是过分增加肋片长度不能确保热量传导至散热器肋片的末端，不能明显地降低结温，反而会使散热器重量增加太多。工程实践证明散热器的肋片长度和基座宽度之比接近1时，传热较好。

（2）肋片的厚度对散热器热性能没有太大的影响，肋片厚度的增加并不会使热源结温降低很多，反而增加了散热器的重量。改变散热器肋片厚度也会增大加工难度。

（3）肋片高度对散热器热性能有很大影响，一般随着肋片高度的增加，器件的热量更易通过肋片散至周围空间。但是如果肋片高度过高，散热器体积增加太多，因此散热器肋片高度不宜过高。一般肋片的高度加倍，则散热能力为原来的1.4倍。

（4）一般随着肋片数目的增多热源结温会有所降低，但是超过某一数值后随着肋片的增多器件结温没有明显变化，而散热器重量明显增加。通常会有器件安装在散热器两肋片之间，如果肋片数太多，器件不易安装在散热器上，因而不能盲目增加肋片的数目。

（5）如果散热器表面未进行氧化处理，对于散热器热阻和性能有较大影响。所以散热器一般都要进行煮黑氧化处理，降低散热器热阻，减小热源结温，使器件更安全可靠地工作。

2.2器件在散热器上安装时应注意事项

高压变频器无论采用何种冷却方式，器件在散热器上安装时应注意其安装位置。器件在散热器上的布局应注意以下几点:

（1）散热器的中心位置热阻最小，所以IGBT等发热量大的器件应布置在此位置；

（2）在同一个散热器上安装多个功率器件时，在考虑各个器件损耗情况的基础上，决定安装的位置，对损耗大的器件应给予足够大的面积；

（3）安装模块的散热器表面，如有凹陷会直接导致接触热阻的增加，应注意螺钉位置间的平面度控制在100mm/m2以内，表面粗糙度控制在10μm以下；

（4）为使接触热阻变小，在散热器与功率元件的安装面之间应均匀涂敷散热绝缘混合剂，并施加合适的紧固力矩，使器件外壳对散热器的接触热阻不超过数据手册要求的值。

三、整机的散热

因强制空气冷却的高压变频器一般需要设计风道，风道设计要使功率单元散热效果良好的情况下尽量优化，下面介绍常用的两种形式的散热风道。

3.1并联风道

并联风道如图1所示，从提高设备的可靠性考虑，每个功率单元的前面进风，对应的进风口并联排列，在后面的风仓中汇总后由风机抽出，同时整个功率柜一般采用冗余的方法，有多个风机并联运行，整体散热效果好，并提高了设备的可靠性。但柜体后面要形成风仓，增大了设备的体积，同时由于各个功率单元后端到风机的距离不同，使得每个功率单元的风流量不一致，在设计时应加以考虑。

3.2串联风道

串联风道如图2所示，是由每个器件空间上下相对，形成上下对应的风道，其特点由上下多个功率单元形成串联的通路，结构简单，风道垂直使得风阻小;但由于空气从下到上存在依次加热的问题，造成上面的功率单元环境温差小，散热效果差。为了解决这种问题，就需要提高风速或扩大通风面积来提高通风量，当风道路径较长、风道阻尼较大时就需要提高风机风压。

3.3散热风机的选择

整个功率部分采用强制风冷的方式，需保证有足够的具有环境温度的空气源源不断地流经散热器的表面，使散热系统达到某种温度值的热平衡。在稳定的平衡状态下，并能保证电力半导体器件风冷散热器3～6m/s的风速这样的要求来设计通风栅及选择风机。

四、结束语

采用强制空气冷却方式散热通风的高压变频器，结构设计中要选用适合的散热器，安装的器件布局要合适，整机要设计恰当的风道，选用合适的风机。强制空气冷却也存在一些缺陷，如在灰尘比较多的水泥、煤炭生产厂就需要水冷或热管散热等其他散热方式，这就需要设计开发其他更高效的散热方式和材料来满足设备的散热要求。

参考文献：

[1]变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计[J].胡建辉,李锦庚,邹继斌,谭久彬.电工技术学报.2009(03)

[2]变频器的散热处理及维护[J].孙绪文.黑龙江科技信息.2008(17)